宽带卫星通信 第9章 卫星定位与导航系统PPT课件

9.3 低轨卫星定位系统
低轨卫星的特点
轨道高度低、需要较多卫星才能实现多重覆盖 卫星运动速度快，信号有较大的多普勒频移。
低轨卫星定位系统
原理：利用信号的多普勒频移实现测速，进而 实现双曲线交汇定位
典型系统：子午仪系统、搜索救援卫星系统
9.3.1 子午仪系统
子午仪系统结构
定位卫星
有效载荷：高稳定度的频率源
S1 t1 r1
S2 t2 r2
t1 t1+τ1
发射ft t2 接收fr t2+τ2
U 多普勒积分的获得
一 方 面 ， N dtt1 2 12fddttt1 2 12(ftfr)dttt1 2 12ftdttt1 2 12frdt, 另 一 方 面 ， N dtt1 2 12fddttt1 2 12ftV crdtftr2c r1
9.2.2 卫星定位的一般原理
卫星导航的必要条件：
卫星的位置 用户相对于卫星的某种观测量
根据观测量的不同，定位方法可以分为： 测距定位、测速定位、测角定位等
观测量可以进一步划分为：距离差、距离 和、频率、频率差、相位等
卫星定位的几何原理
定位参量与位置面
U用户
l S卫星
U用户
l1 l2
协议地球坐标系
概念：地球的极移 协议地球坐标系
CIO: 国际协议原点 CTP：协议地球坐标系
WGS84 坐标系
大地水准椭球、基准椭球
大地水准面
实际地球面
C 2 ,0
大地水准面与实际地球面
WGS-84 基准椭球参数
参数 长半轴 地球引力场规格化的二阶 带球函数系数
地球自转角速度
地球质量与万有引力常数 乘积 椭球扁率
基于多普勒积分观测量的定位观测方程
考虑到接收机的本振频率不等于卫星发射频率， 上述等式可稍作修改，经整理可得以积分多普勒 测量值为观测量的定位观测方程：
r1(,) l N1 l F (t2 t1)
r2 (,) l N2 l F (t4 t3)
r3(,) l N3 l F (t6 t5 )
Z )：
X = ( N +H ) cos φ cos λ
Y = ( N +H ) cos φ sin λ
式中
Z = [ N (1 - e2 ) + H ] sin φ
N
a
1 e2 sin
基准椭球下地理坐标与空间直角坐标的 关系2－直角坐标变换到地理坐标
由直角坐标(X, Y, Z ) 变换到地理坐标的逆变换式为：
关系：天球坐标系可以看作
一个近似的惯性坐标系
X
Z
s
r
δ
Y
O
பைடு நூலகம்
α
天球赤道
图 9－ 天球空间直角坐标系和天球球面坐标系
时间体系
世界时（UT）：从午夜起算的英国格林尼治平太阳时称为世界时。 原子时（AT）：国际时间局目前以大约100台位于世界各地的原子钟
的读书，分别以不同的权值作平均，获得综合的时间基准，称为国际 原子时。 协调时（UTC）：时间播发中把原子时的秒长和世界时的时刻结合起 来的一种时间 ，秒长严格等于原子时的秒长，采用整数调秒的方法使 协调时与世界时之差保持在0.9s之内。 GPS时（GPST）：与国际原子时保持有19s的常数差，并在GPS标 准历元1980年1月6日零时与UTC保持一致。GPS时间在0～604 800 s之间变化。主要作为GPS卫星轨道确定的精密参考。
arctan
Y X
arctan
Z(NH)
N(1e2)H X2Y2
H Z N(1e2)
sin
第二式中，右端的N是纬度φ的函数，因此，需要迭代求 解纬度φ，直至收敛，然后由第三式求解大地高H。
天球与天球坐标系
概念：天球赤道、黄道、春 分点、秋分点
天球空间直角坐标系与天球 赤道坐标系
天球坐标系与惯性坐标系的
Y O
φ λ
O′
P′
X L
Z 基准椭球 大地水准面
G
P h
ψφ
n
O
Q′
P′
O′
(a)
(b)
图 9－ 地理坐标与地心固定坐标系坐标的计算
基准椭球下地理坐标与空间直角坐标的 关系1－地理坐标变换到直角坐标
以WGS-84椭球为基准，地球上任一点的地理坐标，即（λ， φ，H），可以以下式变换到WGS-84三维直角坐标 (X, Y,
式中，△r(λ,φ)是以用户经纬度的函数形式表示的
用户与卫星之间的距离，该式假定用户的高度为 已知值
S1 S2
(a)
(b)
U用户
S
α
卫星
卫星速度V
(c) 图 9－ 定位参量与位置面
定位的原理
几何原理：球面交汇定位、双曲面交汇定位 代数原理：
1. 建立对应于观测量的定位方程 2. 将方程线型化 3. 利用数值算法解方程
方程数量与卫星数量的关系
由于实际观测量存在误差，因此一般说来观测量越多，定位 结果越准确。则卫星数量越多，观测值越多，定位结果越准 确。
地面站组 用户设备
工作方式：无源被动定位，测量信号的多普勒频移
子午仪系统的工作原理
积分多普勒定位
9.3.2 积分多普勒定位技术 －1
多普勒频移与用户速度的关系
fd
ft
Vr c
ft
V
cos
c
V
γ
Vr
图 9－ 低轨卫星的多普勒频移
9.3.2 积分多普勒定位技术－2
基于多普勒积分观测量的定位观测方程
9.2 卫星导航技术基础
坐标系和时间体系
坐标系：惯性坐标系、地球坐标系、协议坐标 系、大地坐标系、天球坐标系
时间体系：世界时、原子时、协调时、GPS时
定位一般原理
测距定位 测速定位 测角定位
9.2.1 坐标系和时间体系
地球固定坐标系与惯性坐标系
Z 格林威治子午线
地球
Y O 地心
X 图 9－ 地心固定坐标系
第九章 卫星定位与 导航系统
内容：
概述 卫星导航技术基础 低轨卫星定位系统 双静止卫星导航系统 GPS导航系统 新一代卫星导航系统
9.1 概述
卫星导航技术的发展历史
Transit系统（多普勒技术） GPS系统（伪码测距技术、载波相位测距技术）
卫星导航系统提供的服务
定位（SPS，PPS） 导航 授时 通信
椭球第一偏心率平方
符号 a
ω GM
f e2
采用值 6 378 137 m
-484.16685×10-6
7 292 115×10-11 rad/s
3 986 005×106 m3/s2
1/298.257 223 563 0.006 694 379 990
13
基准椭球下的地理坐标
格林威治子午线
Z P
基准椭球